空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)

韓兆福，楊明緒

(海軍航空大學(xué)，山東 青島 266041)

0 引言

某型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)是為YJ-××空艦導(dǎo)彈供電的大功率專用電源系統(tǒng)。由于機(jī)上無相應(yīng)的故障監(jiān)控設(shè)備[1]，故研制了空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀主要用于原位檢測(cè)供電系統(tǒng)滿負(fù)載能力和紋波電壓，從而判別供電系統(tǒng)的供電品質(zhì)。由于在檢測(cè)過程中需高速采集產(chǎn)生大量測(cè)量數(shù)據(jù)，其速率遠(yuǎn)高于實(shí)際的傳輸、顯示和實(shí)時(shí)分析處理的能力。尤其是導(dǎo)彈發(fā)射啟動(dòng)階段，過程相當(dāng)短，必須有足夠的采集點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)可靠的高速傳輸，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性要求是一個(gè)必須解決的問題[1]。

1 軟件開發(fā)總體構(gòu)思

軟件開平臺(tái)選用美國國家儀器公司的LabVIEW+RT模塊+現(xiàn)場可編輯門陣列(field programmable gate array,FPGA)模塊[2]。依據(jù)檢測(cè)儀的硬件組成，其應(yīng)用軟件主要包括觸摸屏式計(jì)算機(jī)虛擬儀器(touch pad computer virtual instrument，TPC VI)軟件、實(shí)時(shí)虛擬儀器(real time virtual instrument，RT VI軟件)和可編程邏輯門陣列虛擬儀器(field programmable gate array virtual instrument，F(xiàn)PGA VI)軟件三部分[3]。為便于編程控制，將檢測(cè)儀的整體工作狀態(tài)分為6個(gè)狀態(tài)，并由3個(gè)事件進(jìn)行控制。檢測(cè)儀狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

圖1 檢測(cè)儀狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

檢測(cè)儀可分為6個(gè)工作狀態(tài)。

①單機(jī)狀態(tài)，即cRIO系統(tǒng)與觸摸屏計(jì)算機(jī)TPC尚未完成TCP通信連接。一旦TCP通信連接成功，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)2。

②雙機(jī)連接成功，但檢查通道未加電的狀態(tài)，提示“未加電”。一旦檢查通道加電，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)3。

③實(shí)時(shí)監(jiān)控檢查通道的電壓，提示“準(zhǔn)備好”，等待用戶觸發(fā)“開始”事件。

④模擬啟動(dòng)狀態(tài)，此階段接通附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載。當(dāng)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間大于啟動(dòng)時(shí)間，自動(dòng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)4。

⑤模擬穩(wěn)定狀態(tài)，此階段斷開附加負(fù)載。

⑥退出應(yīng)用程序。

檢測(cè)儀的狀態(tài)主要由3個(gè)事件來控制。

①“開始”事件。首先判斷檢測(cè)儀是否處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，并且電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。如滿足條件，則接通附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，并轉(zhuǎn)入狀態(tài)4；否則，不做任何動(dòng)作。

②“停止”事件。當(dāng)檢測(cè)儀處于負(fù)載啟動(dòng)或穩(wěn)定階段，斷開附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，但仍然實(shí)時(shí)監(jiān)控檢查通道的電壓，轉(zhuǎn)入狀態(tài)3。

③“退出”事件。無論檢測(cè)儀處于什么狀態(tài)，都將檢測(cè)儀恢復(fù)到未加負(fù)載狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉應(yīng)用軟件。

檢測(cè)儀狀態(tài)的合理劃分，可有效控制檢測(cè)儀的狀態(tài)，有利于軟件開發(fā)、多人合作、設(shè)計(jì)相互轉(zhuǎn)換之間的信息交換。檢測(cè)儀的軟件整體可劃分為初始化、等待(狀態(tài)1)、低速采集(狀態(tài)2)和高速采集(狀態(tài)3)4種狀態(tài)。各狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

根據(jù)檢測(cè)流程，采用模塊化設(shè)計(jì)，方便應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)和多人合作開發(fā)。軟件采用原型系統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，待某一功能完全調(diào)試成功后，再逐步進(jìn)行新的功能開發(fā)。檢測(cè)儀的工作狀態(tài)通過連接自檢模擬電源進(jìn)行測(cè)試，其過程與最終的機(jī)上檢測(cè)完全相同。

圖2 檢測(cè)儀狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

2 采集數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)

為解決高速傳輸帶來的傳輸量大的難題，采用了變速率采樣-緩沖式存?zhèn)鬏敿夹g(shù)[3]。由于啟動(dòng)階段的關(guān)鍵是測(cè)量采集，穩(wěn)定階段的采集周期可適當(dāng)加長，以重點(diǎn)保證此前測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸。為此，將測(cè)量采集和傳輸?shù)倪^程分為4個(gè)階段，采用非常規(guī)的方式達(dá)到實(shí)時(shí)傳輸?shù)哪康摹８麟A段的具體任務(wù)如圖3所示。

圖3 測(cè)量各階段的具體任務(wù)圖

啟動(dòng)電流脈沖的寬度不超過100 ms，為確保達(dá)到200點(diǎn)以上的采樣點(diǎn)，則最長的采樣周期為500 μs，而硬件模塊所允許的最短周期為18.5 μs(16 μs+2.5 μs)。如果采樣周期的取值太靠近所允許的最短周期，勢(shì)必會(huì)帶來大數(shù)據(jù)量的傳輸問題。為此，實(shí)際的采樣周期采取折中方案，可取100 μs。

第一階段：連續(xù)高速采樣，不發(fā)送數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)間大約為120 ms。

第二階段：連續(xù)中速采樣，不發(fā)送數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)間大約為120 ms。

第三階段：低速采樣，定長發(fā)送數(shù)據(jù)，直至所有的測(cè)量數(shù)據(jù)被發(fā)送出去。

第四階段：低速采樣，逐點(diǎn)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新。

硬件上，通過cRIO模塊完成被測(cè)信號(hào)與FPGA機(jī)箱的連接，然后由FPGA機(jī)箱采集相應(yīng)的信號(hào)。采集數(shù)據(jù)的傳輸包括2個(gè)步驟[4]：FPGA→RT的DMA FIFO傳輸和RT→TPC的TCP傳輸。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有各采集點(diǎn)相對(duì)于采集開始點(diǎn)的時(shí)間，兩路負(fù)載端電壓的采集值以及兩路與負(fù)載電流成比例的霍爾傳感器輸出電壓采集值，每個(gè)傳輸幀都包含有這5個(gè)數(shù)據(jù)，即：

Framei={Ti,UA,UB,IA,IB}

式中：Framei為傳輸幀；Ti為當(dāng)前時(shí)間；UA為A路負(fù)載端電壓；UB為B路負(fù)載端電壓；IA為A路電流；IB為B路電流。

2.1 傳輸數(shù)據(jù)格式的選擇

由于傳輸數(shù)據(jù)類型的不同，所產(chǎn)生傳輸幀的長度也不同，因此，應(yīng)選擇合適的數(shù)據(jù)類型，盡可能縮短傳輸幀長度，以減少傳輸?shù)臅r(shí)間。傳輸幀中的5個(gè)數(shù)據(jù)共有3種類型[5]。

①當(dāng)前時(shí)間。

當(dāng)前時(shí)間，Ti對(duì)應(yīng)于計(jì)時(shí)器的輸出，其單位有刻度、微秒和毫秒3種選項(xiàng)。根據(jù)采集速率的要求，計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)單位選定為微秒；數(shù)據(jù)類型為無符號(hào)32位整型U32。

②電壓采集值。

模擬量采集模塊NI 9221的電壓采集數(shù)據(jù)格式為字長16位、整數(shù)為7位的帶符號(hào)定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式FXP(16,7)。

③電流采集值。

模擬量采集模塊NI 9205的電壓采集數(shù)據(jù)格式為字長26位、整數(shù)為5位的帶符號(hào)定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式FXP(26,5)。

定點(diǎn)格式具有結(jié)構(gòu)緊湊、空間小的優(yōu)點(diǎn)，但也存在讀取麻煩的不足。由于FPGA模塊不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，且需要轉(zhuǎn)換的3種類型數(shù)據(jù)格式各不相同，而DMA FIFO傳輸必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。考慮到采用FXP(16,5)也可滿足電流采集值的精度要求，為此DMA FIFO傳輸數(shù)據(jù)格式最終采用不帶符號(hào)的16位整型格式U16。定點(diǎn)格式如圖4所示。

圖4 定點(diǎn)格式示意圖

2.2 傳輸數(shù)據(jù)格式變換和傳輸幀的DMA FIFO發(fā)送

在數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)倪^程中，若采用U32進(jìn)行傳輸，則需要4個(gè)U32(當(dāng)前時(shí)間占用1個(gè)U32，兩路電壓合用1個(gè)U32，兩路電流各占用1個(gè)U32)，共128位。在設(shè)計(jì)的過程中，采用U16格式[6]，一個(gè)傳輸幀有6個(gè)U16，總共96位，與U32格式相比，可節(jié)省25%的傳輸時(shí)間。

傳輸前各類數(shù)據(jù)需要作出相應(yīng)的變換，從而獲得統(tǒng)一的不帶符號(hào)16位整型格式的數(shù)據(jù)。

當(dāng)前時(shí)間Ti：計(jì)時(shí)器的輸出數(shù)據(jù)無符號(hào)32位整型U32通過格式轉(zhuǎn)換分成兩組U16傳輸，前16位為一組U16高位，后16位為一組U16低位。

電壓采集值U：采集模塊NI 9221采集電壓模擬量，數(shù)據(jù)格式為FXP(16,7)共有16位其中整數(shù)部分為7位，其余為小數(shù)部分，可以直接采用U16格式進(jìn)行傳輸。

電流采集值I：采集模塊NI 9205采集電流模擬量，數(shù)據(jù)格式為FXP(26,5)，共有26位。其中：整數(shù)部分為5位，21位小數(shù)部分。在傳輸過程中，應(yīng)采取傳輸格式為U32，按照精度需求將其進(jìn)行變換，后將數(shù)據(jù)右移10位，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為FXP(16,5)共16位。其中:5位整數(shù)位，其余位數(shù)為小數(shù)位，用U16格式可以進(jìn)行傳輸。

此時(shí)的傳輸幀為:

Feamei={U16TH,U16TL,U16UA,U16UB,U16IA,U16IB}

式中：Framei為傳輸幀;U16TH為當(dāng)前時(shí)間的高16位;U16TL為當(dāng)前時(shí)間的低16位;U16UA為轉(zhuǎn)換后的A路負(fù)載端電壓;U16UB為轉(zhuǎn)換后的B路負(fù)載端電壓;U16IA為轉(zhuǎn)換后的A路電流;U16IB為轉(zhuǎn)換后的B路電流。

2.3 DMA FIFO接收與TCP發(fā)送

通過直接內(nèi)存存取(direct memory access,DMA)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，可以最大限度節(jié)省處理器資源；先入先出(first in first out,FIFO)是數(shù)據(jù)接收和解析中常見的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以有效地隔離數(shù)據(jù)的接收、解析之間的耦合關(guān)系，從而簡化處理方式。

采數(shù)據(jù)采集過程中，存在高速采集與低速采集兩種具體的情況。為滿足數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性要求，兼顧低速采集時(shí)能及時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)和高速采集時(shí)TCP數(shù)據(jù)幀長度。在軟件設(shè)計(jì)過程中，采取如下解決辦法：僅當(dāng)時(shí)間大于100 ms或DMA FIFO緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)超過200幀時(shí)，一次性讀取DMA FIFO緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)[7]。通過這樣的程序設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)傳輸過程中一旦接收到數(shù)據(jù)，將立即通過TCP發(fā)送到TPC。

2.4 TCP接收和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

TPC不斷讀取經(jīng)TCP轉(zhuǎn)換來自RT的數(shù)據(jù)幀后，得到雙精度浮點(diǎn)格式數(shù)據(jù)。

當(dāng)前時(shí)間：接收到的兩組U16整型數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換重新轉(zhuǎn)換成一組U32整型數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)格式數(shù)據(jù)。

①電壓：接收到兩組U16整型數(shù)據(jù)A路負(fù)載電壓VA、B路負(fù)載電壓VB經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)格式為FXP(16,7)的整型數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)格式數(shù)據(jù)。

②電流：接收到的兩組U16整型數(shù)據(jù)A路電流IA、B路電流IB經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)格式為FXP(16,5)的整型數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)換成雙精度浮點(diǎn)格式數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

該檢測(cè)儀通過采集數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)可靠的高速傳輸，同時(shí)滿足了實(shí)時(shí)性要求。該設(shè)備具有運(yùn)行可靠、智能化程度高、通用性強(qiáng)、便攜性好等特點(diǎn)，不僅適用外場使用，而且還便于機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場保障，有效解決了某型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)性能難以檢測(cè)的難題。其檢測(cè)平臺(tái)只需軟件升級(jí)和改變部分連接電纜，即可將該檢測(cè)儀推廣應(yīng)用到其他主戰(zhàn)機(jī)型，可避免面向機(jī)型設(shè)計(jì)帶來的重復(fù)投資現(xiàn)象，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景。